一种轮驱电动汽车线控转向系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种轮驱电动汽车车线控转向系统，包括依次连接的转向盘总成、ECU单元和转向执行总成三部分，本发明专利技术还公开了轮驱电动汽车线控转向系统的控制方法，首先构建理想二自由度车辆转向动力学模型，并建立车辆状态参数横摆角速度增益和侧向加速度增益同角传动比的关系；然后设计合理的定横摆角度增益和定侧向加速度增益，确定不同车速下的角传动比；最后设计车辆状态参数横摆角速度和质心侧偏角两者同时作为反馈量，构建基于PI控制的可靠稳定主动转向控制器，本发明专利技术解决了现有技术中存在的线控转向中车轮间转向执行机构机械耦合不具备独立转向功能、转向轮动态响应能力较慢、恶劣转向工况下车辆操纵稳定性差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种轮驱电动汽车线控转向系统及控制方法
本专利技术属于新能源电动汽车转向
，具体涉及一种轮驱电动汽车线控转向系统，本专利技术还涉及轮驱电动汽车线控转向控制方法。
技术介绍
电动汽车以电为动力能源，具有零排放、能量传递效率高等优点，其关键技术不断突破，正挑战着传统内燃机汽车的市场地位。轮驱及独立线控转向使得整车底盘空间利用效率和传动效率得到提高，为汽车的电动化、智能化、轻量化发展提供更广阔的空间。线控转向取消了传统转向系统复杂机械结构，各部分通过信号传输线连接，由转向盘总成、转向执行总成和中央控制器(ElectronicControlUnit，ECU)三个主要部分等组成。目前针对线控转向架构大都采用单台转向电机通过齿轮、齿条控制同轴相连车轮进行转向，此设计结构较简单且转向轮同步工作，但轮间依靠机械传动，执行速度较迟缓，无法实现大角度独立转向且不符合线控转向发展趋势。或直接将转向执行总成集成于各转向轮内，可实现独立转向，增强驾驶机动性，但大大增加了汽车簧下质量，动态响应能力变差，不利于车辆稳定性行驶。线控转向完全摆脱了传统转向系各种制约，可采用多种控制策略和优化算法，使转角输入指令更合理精确，提升电动汽车操控稳定性，优化驾驶员路感，使驾驶过程人性化、智能化。变角传动比控制是线控转向最大特点之一，可以提升低速转向机动性和中高速转向时的操纵稳定性，实现低速转向更轻便灵敏，高速转向更稳重安全，防止转向过度。分布式驱动电动汽车前轮转角采用变角传动比控制，其控制方法包括：①参数拟合法，对驶状态参数拟合，建立车辆状态信息与角传动比的非线性函数关系。②以车辆行驶状态参数为控制变量智能控制法，如模糊控制、神经网络控制等。相较于第一种方法，该类方法无需建立很精确的模型，鲁棒性和动态响应特性更好。但控制复杂。③基于转向增益不变确定角传动比，该方法减少了汽车非线性特性对驾驶员的影响，提高了汽车操纵性和舒适性，设计较为简单实用。常用方法有：基于横摆角速度增益不变、基于侧向加速度增益不变。定横摆角速度增益确定的角传动比在高速会存在下降趋势，不满足在高速时转向盘灵敏度应适当降低的设计要求。定侧向加速度增益确定的角传动比会随车速一直增加且趋势较快，不能达到稳定状态。基于转向增益不变确定变角传动比，是一种稳态控制策略。但车辆在实际的行驶过程中工况复杂，以及路况、车况影响，使得转向盘的转角和汽车行驶状态之间不能够同步。主动转向控制根据车辆实时状态，确保操纵稳定性，主动对转向盘转角输入信号增大或减小，进行动态校正，是提高“人—车—路”闭环系统主动安全性的重要手段。目前常用方法采用单一车辆状态参数进行反馈，对车辆行驶状态描述不足，且在主动转向控制器的设计方面，都避开传统PID控制，采用自适应PID控制、模糊PI控制、滑模控制等现代智能控制。控制器设计十分复杂，且不符合车辆行驶过程安全可靠设计标准。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种轮驱电动汽车线控转向系统，解决了现有技术中存在的线控转向中车轮间转向执行机构机械耦合不具备独立转向功能、转向轮动态响应能力较差的问题。本专利技术的另一目的是提供一种轮驱电动汽车线控转向的控制方法。本专利技术所采用的第一技术方案是，一种轮驱电动汽车线控转向系统，包括依次连接的转向盘总成、ECU单元和转向执行总成三部分组成。本专利技术第一技术方案的特点还在于，转向盘总成具体结构为：包括转向盘，转向盘的轮毂内设有花键，轮毂通过花键与转向轴一端相同规格的花键嵌入固定，转向盘转动同步带动转向轴转动相同角度，转向轴上固定有转向盘转角传感器，转向盘转角传感器通过转接件固定在转向轴上，转向轴底部还设置有路感电机，路感电机转动进而带动转向轴转动将路感力矩传递给转向盘，转向盘转角传感器和路感电机均与ECU单元连接。转向执行总成包括四组结构相同的高性能伺服控制单元，每组高性能伺服控制单元的内部结构具体为：包括与ECU单元连接的伺服控制器，伺服控制器实时接受ECU单元发来的转角指令信号并控制对应的转向伺服电机进行转动，转向伺服电机和减速机一体相连，减速机与转向齿轮衔接固定，转向齿轮与齿条啮合，齿条嵌入两个滑块单元，滑块单元位于汽车底盘距车轮较近处设置的滑轨上。齿条经球头销A与横向拉杆相连，横向拉杆的另一端通过球头销B与固定在立柱转向节处的转向节臂连接，当转向伺服电机接受指令进行转动时带动齿条在滑轨上横向移动进而推动横向拉杆带动立柱发生角度变化，完成车轮转向。本专利技术所采用的第二技术方案是，一种轮驱电动汽车线控转向的控制方法，基于轮驱电动汽车线控转向系统，具体按照以下步骤实施：步骤1、构建理想二自由度车辆转向动力学模型，并建立车辆状态参数横摆角速度增益和侧向加速度增益同角传动比的关系；步骤2、设计合理的定横摆角度增益和定侧向加速度增益，确定不同车速下的角传动比；步骤3、设计车辆状态参数横摆角速度和质心侧偏角两者同时作为反馈量，构建基于PI控制的可靠稳定主动转向控制器，对转向盘转角输入信号进行修正，形成转向系统闭环控制，提升整车操纵稳定性。本专利技术第二技术方案的特点还在于，步骤1为便于分析和研究车辆转向特性，将研究对象线控转向电动汽车模型简化，构建只研究侧向和横摆两个自由度的理想线性二自由度模型，具体按照以下步骤实施：步骤1.1、由牛顿第二定律得电动汽车二自由度模型的运动微分方程为：式中：m为电动汽车质量，vx为纵向速度，vy为侧向速度，γ为横摆角速度，Jz为汽车绕z轴转动惯量，Fy为地面对轮胎的横向作用力，Fz为绕质心力矩和；步骤1.2、对二自由度电动汽车受力分析，并由轮胎的侧偏特性得：式中：Ff、Fr分别为汽车前轮、后轮受到沿侧向的外力，a为汽车质心到前轴距离，b为质心到后轴距离，Cf、Cr分别为前后轮的侧偏刚度，αf、αf分别为前后车轮侧偏角；步骤1.3、根据几何运动关系，得车轮侧偏角为：式中：β为汽车质心侧偏角，δf为前轮对应目标转角；步骤1.4、把(2)式、(3)式代入(1)式，化简得：步骤1.5、将稳定状态下的横摆角速度和转向盘转角比值定义为横摆角速度增益，侧向加速度增益定义为侧向加速度和转向盘转角的比值：Kγ＝γ/θsw(5)Kay＝ay/θsw(6)式中：Kγ为转向灵敏度，Kay为侧向加速度增益，ay为侧向加速度，θsw为方向盘转角；转向系统角传动比定义为：i＝θsw/δf(7)式中：i为角传动比，δf为前轮目标转角；步骤1.6、建立横摆角速度增益与角传动比线性关系，由(5)得：式中：为前轮转角与车辆相应的横摆角速度γ的增益；步骤1.7、汽车稳态时由步骤1.4得到的汽车二自由度动力学微分方程(4)可得稳态时横摆角速度为：式中：L为汽车前后轴之间的距离；步骤1.8、结合(8)和(9)得横摆角速度增益对应的角传动比：步骤1.9、稳态条件下行驶时侧向加速度增益变化率由车辆动力学关系ay＝vx·γ，并结合(6)、(10)建立侧向加速度增益与角传动比线性关系：步骤1.8中Kγ＝0.3s-1，步骤1.9中Kay＝0.7g/rad。步骤2具体按照以下步骤实施：步骤2.1、确定两个因素加权系数以定横摆角速度增益确定角传动比，设k1>k2，则i＝k1·i1+k2·i2(12)步骤2.2、在较低车速时，设计固定转向系角传动比；在中高速时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轮驱电动汽车线控转向系统，其特征在于，包括依次连接的转向盘总成、ECU单元和转向执行总成三部分组成。

【技术特征摘要】
1.一种轮驱电动汽车线控转向系统，其特征在于，包括依次连接的转向盘总成、ECU单元和转向执行总成三部分组成。2.根据权利要求1所述的一种轮驱电动汽车线控转向系统，其特征在于，所述转向盘总成具体结构为：包括转向盘(1)，转向盘(1)的轮毂(2)内设有花键，轮毂(2)通过花键与转向轴(3)一端相同规格的花键嵌入固定，转向盘(1)转动同步带动转向轴(3)转动相同角度，转向轴(3)上固定有转向盘转角传感器(5)，转向盘转角传感器(5)通过转接件(4)固定在转向轴(3)上，转向轴(3)底部还设置有路感电机(6)，路感电机(6)转动进而带动转向轴(3)转动将路感力矩传递给转向盘(1)，转向盘转角传感器(5)和路感电机(6)均与所述ECU单元(7)连接。3.根据权利要求1所述的一种轮驱电动汽车线控转向系统，其特征在于，所述转向执行总成包括四组结构相同的高性能伺服控制单元，每组高性能伺服控制单元的内部结构具体为：包括与所述ECU单元(7)连接的伺服控制器(8)，伺服控制器(8)实时接受ECU单元(7)发来的转角指令信号并控制对应的转向伺服电机(9)进行转动，转向伺服电机(9)和减速机(10)一体相连，，减速机(10)与转向齿轮(11)衔接固定，转向齿轮(11)与齿条(14)啮合，齿条(14)嵌入滑块单元(13)，滑块单元(13)位于汽车底盘距车轮较近处设置的滑轨(12)上，齿条(14)经球头销A(15)与横向拉杆(16)相连，横向拉杆(16)的另一端通过球头销B(17)与固定在立柱(19)转向节处的转向节臂18连接，当转向伺服电机(9)接受指令进行转动时带动齿条(14)在滑轨(12)上横向移动进而推动横向拉杆(16)带动立柱(19)发生角度变化，完成车轮转向。4.一种轮驱电动汽车线控转向系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的分布式驱动电动汽车线控转向系统，具体按照以下步骤实施：步骤1、构建理想二自由度车辆转向动力学模型，并建立车辆状态参数横摆角速度增益和侧向加速度增益同角传动比的关系；步骤2、设计合理的定横摆角度增益和定侧向加速度增益，确定不同车速下的角传动比；步骤3、设计车辆状态参数横摆角速度和质心侧偏角两者同时作为反馈量，构建基于PI控制的可靠稳定主动转向控制器，对转向盘转角输入信号进行修正，形成转向系统闭环控制，提升整车操纵稳定性。5.根据权利要求4所述的一种轮驱电动汽车线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1为便于分析和研究车辆转向特性，将研究对象线控转向电动汽车模型简化，构建只研究侧向和横摆两个自由度的理想线性二自由度模型，具体按照以下步骤实施：步骤1.1、由牛顿第二定律得电动汽车二自由度模型的运动微分方程为：式中：m为电动汽车质量，vx为纵向速度，vy为侧向速度，γ为横摆角速度，Jz为汽车绕z轴转动惯量，Fy为地面对轮胎的横向作用力，Fz为绕质心力矩和；步骤1.2、对二自由度电动汽车受力分析，并由轮胎的侧偏特性得：式中：Ff、Fr分别为汽车前轮、后轮受到沿侧向的外力，a为汽车质心到前轴距离，b为质心到后轴距离，Cf、Cr分别为前后轮的侧偏刚度，αf、αf分别为前后车轮侧偏角；步骤1.3、根据几何运动关系，得车轮侧偏角为：式中：β为汽车质心侧偏角，δf为前轮对应目标转角；步骤1.4、把(2)式、(3)式代入(1)式，化简得：步骤1.5、将稳定状态下的横摆角速度和转向盘转角比值定义为横摆角速度增益，侧向加速度增益定义为侧向加速度和转向盘转角的比值：Kγ＝γ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，孙鹏，张乔乔，王凯，王玉源，唐丛辉，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61